大型石化CFG桩复合地基三维有限差分模拟

丁 礼 建

(中铁十九局集团 第一工程有限公司，辽宁 辽阳　111000)



大型石化CFG桩复合地基三维有限差分模拟

丁 礼 建

(中铁十九局集团 第一工程有限公司，辽宁 辽阳111000)

摘要：针对大型石化工程软土地基处理的复杂性,建立了CFG复合地基的三维有限差分模型,详细分析了不同桩间距下复合地基受力和变形特性，探讨了软土夹层对复合地基的影响，在桩间土加固深度影响分析的基础上,获得了不同基础尺寸的临界加固深度。此外,通过变桩长和变桩距方法,对复合地基进行了变刚度调平。研究表明：基础沉降和差异沉降与荷载成线性关系,基础两侧约1/3直径范围内CFG桩可采用变桩长或变桩距方法优化;桩间土体不加固时,桩间距不宜大于6d;软土夹层埋深10 m以上,其对CFG复合桩基的影响基本可忽略;不同基础尺寸下临界加固深度约为6 m;变桩长或桩距方法均能控制基础沉降和差异,但需根据工程条件和实际地质情况合理选用。

关键词：石化工程;CFG桩;复合地基;三维;有限差分方法

0引言

随着我国经济建设高速发展，对石油能源需求进一步加大，不少沿海地区及城市兴建石化工程，其规模也日益增大，因此，一个重要问题随之产生：如何对软弱地基进行处理从而控制地基变形，成为了该类工程地基与基础设计中的重要研究内容。水泥粉煤灰碎石桩(cement fly-ash gravel,CFG)是地基处理常用方法之一，其作用方式为桩与桩间土、褥垫层一起组成复合地基。CFG桩是中国建筑科学研究院在20 世纪80年代末研发的一种地基处理新技术，它能大幅度提高地基承载力、有效减少地基施工后沉降，并能有效地消除地基的不均匀变形[1-3]，因而在建筑地基处理中得到广泛应用。CFG 桩复合地基在高速公路[4]或高速铁路[5]软基处理中也得到了较为广泛的应用。此外，CFG 桩还能与其他地基处理技术或结构形式结合在一起，组成复合型的地基处理方法[6-8]。近年来，针对大型石化软弱地基处理实践的需要，CFG桩也开始得到一定程度的应用[9-10]，但由于该类型工程主要兴建在沿海地区，具有软弱地基处理复杂的特点，使得CFG桩在复合地基受力、变形特性等方面尚需进一步研究。

本文开展了CFG桩复合地基在竖向荷载作用下的受力和特性的三维有限差分模拟，提出关于地基沉降、改善桩-土应力及荷载的控制方法，为大型石化软弱地基与基础设计提供借鉴与参考。

1工程背景

本文依托工程为某大型石化工程地基处理项目，该石化工程位于东南沿海某地，占地面积约6 km2，工程建设周期长达4年，项目总投资额为500亿元左右，地基处理费用接近20亿元，地基处理工期至少需要1年时间。

场地地质条件如下： 地貌单元为榕江三角洲平原， 地形较为开阔平坦。 地基土主要由第四系人工填土层、 第四系全新统的风-水堆积层、 沼泽相沉积层、 海陆相交互沉积层、 第四系上更新统的海陆相交互沉积层、 冲积层、 洪积层、 残积层以及燕山期花岗岩组成。 揭露岩层分别是全风化层、 强风化和中风化层，局部为微风化层。场地上部广泛分布0.5～21.0 m厚度的淤泥质粘性土及10.0～20.0 m厚度的第四系风-水堆积粉细砂层，其中:②1层为细砂层，级配不良，呈松散状态，局部为稍密，可归类为中等液化土层；②2层为粉细砂层，级配不良，呈稍密-中密状态，饱和，归属为轻微-中等液化土层，局部严重液化；淤泥质粘性土呈软塑-可塑状态，具有孔隙比及有机质含量大、抗剪强度低、高灵敏度、高压缩性和强流变性等不良工程特性。

2有限差分模拟

2.1模型的建立

利用FLAC3D软件建立桩、土、基础及垫层相互作用的三维有限差分的数值模型,对竖向荷载作用下CFG复合地基位移响应和桩-土应力变化进行分析。 在建立有限差分模型时对土体、 桩体、 基础及垫层均采用三维8节点六面体单元,同时,在桩体与桩间土、 桩体与垫层之间均设置了接触单元。 桩体采用弹性材料模拟, 土体和垫层以Mohr-Coulomb本构关系模拟。 结合依托工程的现场试验数据, 选取CFG桩复合地基的三维有限差分模型如下: 基础直径和厚度分别为48、 0.4 m, 垫层厚度0.2 m, CFG桩直径600 mm, 桩长24 m, 桩间距按照3种情况设定(4d、 5d、6d, 其中d为桩径); 设置长108 m、 宽20 m、 深50 m的计算模型。模型根据对称性取其1/2分析, 底部边界全部固定, 侧面边界施加法向固定约束。

2.2岩土参数的选取

模型采用的各材料参数见表1,模型及网格划分如图1所示。

表1　土体及其他材料参数Table 1　Parameters of soil and other materials

图1　CFG复合地基三维计算模型Fig.1　3D Model of CFG composite foundation

3计算结果与分析

为简化模型,数值计算时,取分析对象尺寸的一半建立相应模型,本节分析时,按照对称性,给出的是全断面计算结果。

3.1不同桩间距计算结果分析

3.1.1单一间距情况图2为CFG复合地基典型沉降云图, 在上部荷载作用下, CFG桩与桩间土体发生沉降,但由于沉降不一致,桩顶上部刺入上部褥垫层,桩端亦有少量刺入下部土体。基础中间段沉降相对均匀,呈现“中间大、两端小”的特征。

图2　CFG复合地基典型沉降云图Fig.2　Settlement cloud of CFG composite foundation (桩间距5d和荷载250 kPa)

基础中间段(约30 m范围内)沉降基本一致,最大沉降可为该范围内沉降特征指标,故下文采用最大沉降作为代表分析。各级荷载作用下,基础中间段沉降较协调一致地增大(图3),即中间段沉降差异不随荷载增大发生明显变化。基础两侧约10 m范围内沉降随荷载增大而增大,但沉降增量小于基础中间段增量,基础差异沉降随之增大。这是由于选用相同桩长和桩距时,基础两侧荷载引起的附加地基应力相对较小。因此,若要减小基础差异沉降,可考虑基础两侧约1/3直径范围内采用变桩长或变桩距方案来设计。

桩、桩间土受到的应力随荷载增大而增大,各CFG桩的应力差异较小,桩间土的应力差异亦较小。桩-土应力比两侧较中间段小,并随着荷载增大而增大,但增大幅度有限。

3.1.2不同间距情况图4为不同荷载级别下基础最大沉降、差异沉降随桩间距变化情况。同一荷载下,基础最大沉降与桩间距呈线性关系,同一桩间距下基础最大沉降各级荷载下增量变化很小(桩间距5d最大沉降变化规律已在图3中反映);同一荷载下,差异沉降随桩间距加大而增大,同一桩间距下差异沉降在小荷载时增量稍大于大荷载时增量,整体上呈线性关系(图3)。当CFG桩端进入持力层内一定深度后,4d～6d桩间距的CFG桩复合地基的沉降和差异沉降均很小,远小于油罐基础沉降的允许值。

同一竖向荷载下,总桩-土荷载比随着桩间距增大而减小。3种桩间距下,100 kPa荷载为变化拐点,荷载小于100 kPa,桩-土荷载比较小,且随着荷载增大有所降低;荷载大于100 kPa时,总桩-土荷载比随荷载增加逐渐增大,表明随着外荷载的增加,荷载由CFG桩体承担的比例逐渐增大,如图5所示。

CFG桩体和桩间土所承受的荷载随着桩间距不断增大(图6，桩体承载用轴力表示, 向下为正方向),桩间距过大会使得桩体承受的荷载过大,但由于桩体的单桩承载力有限及复合地基的土体承载力有限,并且增大桩间距会使得基础整体沉降和基础差异沉降增大,故在实践中应适当控制桩间距的大小。对于本工程,比较单桩极限承载力实测结果,可判定:当桩间土不进行加固时,CFG桩的桩间距不宜大于6d。

3.1.3软土夹层的影响为分析软土夹层的影响，对依托工程10 m以下不同深度的软土夹层进行了现场试验。试验结果揭示，桩身10 m以下深度内软土夹层对CFG桩及复合地基承载力影响不明显。故本节针对软土夹层的影响进行数值分析。

在6 m深度以下存在一定厚度的软土夹层为前提， 分别设定软土夹层厚度为3、6、9和12 m(CFG桩穿透软弱夹层且桩端进入持力层，桩间距为5d)，基于上述4种工况下模拟结果，分析软土夹层的影响(图7、 8)。

图3　基础最大沉降和差异沉降随荷载变化Fig.3　Maximum settlement and settlement difference of different loading

图4　基础最大沉降和差异沉降随荷载变化Fig.4　Maximum settlement and settlement difference change with loading

图5　桩-土荷载比随荷载变化Fig.5　Pile-soil load ratio change with loading

图6　不同桩间距下桩顶轴力Fig.6　Pile axial force under different pile space

图7　不同软土夹层厚度下基础最大沉降、 差异沉降和桩-土应力比Fig.7　Maximum settlement,differential settlement and pile-soil stress ratio of different soft soil interlayer thickness

图8　不同软土夹层厚度下单桩桩顶轴力计算结果Fig.8　Pile axial force value of different soft soil interlayer thickness

软土夹层对基础沉降和差异沉降的影响如下：软土夹层厚度在小于4 m时(即软土夹层埋深为6～10 m)增大，基础沉降和差异沉降有一定程度的增加，但增加幅度不大；当软土夹层厚度超过4 m(即软土夹层埋深10 m以上)，基础沉降和差异沉降变化很小。

与现场试验结果进行对比发现：当6～10 m深度内有淤泥质软土夹层，基础沉降、总桩-土荷载比及桩-土应力比会受到一定影响，当软土夹层埋深达到10 m，软土夹层的影响基本可忽略。

3.2桩间土加固深度对CFG复合地基影响

现场试验和数值分析表明，CFG桩施工对桩间土体影响很小,若先采用强夯等方法先行加固桩间土体,提高其承载力,则可有效提高复合地基承载力和改善其工程特性。但是否需要加固桩长范围内的全部土体还是部分厚度,需要进一步分析研究。

3.2.1加固深度的影响针对4d、5d、6d桩间距下复合地基,选取3、6、9、12 m四种桩间土加固深度进行分析,此时基础直径和荷载分别为48 m、250 kPa。

不同间距下基础最大沉降、 桩-土应力比及荷载比随加固深度变化情况如图9、 10所示。 加固深度小于6 m时, 基础最大沉降和差异沉降随桩间土加固深度的增加逐渐减小, 桩-土应力比、 荷载比亦减小; 但当加固深度超过6 m后, 上述指标的变化幅度明显减小, 说明再加大、加固深度对CFG复合地基承载力和控制基础沉降的效果已不明显。 在基础直径48 m条件下, 临界加固深度可为6 m。

图9　不同间距下基础最大沉降与加固深度变化曲线Fig.9　Curves of maximum settlement and reinforcement depth under different pile space

图10　不同间距下桩-土应力比、荷载比 与加固深度变化曲线Fig.10　Pile-soil stress and loading change with different reinforcement depth under different pile space

分析图10可知,桩间距越大,桩-土荷载比越小,桩间土体承载越大。特别是土体被加固以后,土体承受的荷载比例更大,故应结合加固后土体的地基承载力,合理控制桩间距,以免土体承载过大而发生破坏。

3.2.2不同基础尺寸的临界加固深度上节分析了基础直径48 m时加固深度对复合地基的影响,本节以桩间距5d为对象(加固深度、 荷载与上节相同),对不同基础直径下合理加固深度进行了分析。同一直径下基础沉降、桩-土应力比及荷载比变化规律在前一节已作表述;随着基础尺寸的增加,基础沉降、桩-土应力比及荷载比明显增大,差异沉降小幅变化(图11、 12);4种基础尺寸下,上述指标随着加固深度增加变化幅度逐渐减小,即不同基础尺寸下桩间土临界加固深度均为6 m左右,基础尺寸对CFG桩复合地基临界加固深度影响很小。

3.3复合地基变刚度调平

基础两侧边缘附近的沉降较中部小,差异沉降主要发生在基础两侧,中部10～30 m范围内沉降基本均匀。可考虑采用长短桩或变桩距的方案来控制差异沉降和优化基础受力,亦会产生一定的经济效益。

3.3.1变桩长调平变桩长方案如图13所示。4根短桩、 6根中长桩及6根长桩, 各桩置于相对较硬的土层上(基础尺寸48 m、 桩间距5d、 荷载250 kPa)。 在此考虑两种桩间距变化, 分别为4、6 m(第1种桩长分布为16、 20、 24 m, 第2种分布为12、 18、 24 m)。此外,还考虑了短桩悬浮于软土层对基础沉降和桩-土应力比及桩顶轴力的影响。

图11　不同基础尺寸下沉降随加固深度变化曲线Fig.11　Curves of settlement and reinforcement depth under different foundation size

图12　不同基础尺寸下桩-土应力比、总荷载比 与加固深度关系Fig.12　Curves of pile-soil stress ratio or total loading ratio and reinforcement depth under different foundation size

图13　变桩长方案示意图Fig.13　Scheme of variable pile length

分析图14、15可知：① 根据基础受力情况合理安排不同位置处的桩长,可减小基础差异沉降,且部分受力较小区域桩长的减小基本不会增大基础沉降;② 短桩范围内桩-土应力、桩顶轴力较中部小, 短桩的存在有利于优化基础受力、 发挥桩间土承载力、减小差异沉降及节约工程成本;③ 增大每级桩长的变化量引起基础差异沉降变小(图9),但是在桩长变化处会出现应力的突变:桩长变化为4 m时,桩-土应力比和桩顶轴力为渐变趋势,桩长变化为6 m时则发生突变,为避免变桩长附近基础受力过大,应控制相邻每级桩长的变化值,不宜变化过大;④ 当短桩悬浮于软土层中,基础沉降明显增大,基础中部的沉降也变得不均匀,同时会导致变桩长附近桩-土应力比、桩顶轴力发生突变,使中部桩体承载增大。这些对控制基础沉降和优化基础受力均是不利的,故采用变桩长调平时,要避免桩悬浮于软土层中,尽量寻找相对较好的硬土层作为桩端持力层。

图14　不同长短桩组合下基础沉降Fig.14　Foundation settlement of different pile length combination

图15　不同长短桩组合下桩-土应力比及单桩桩顶轴力Fig.15　Pile-soil stress ratio and pile axial force of different pile length combination

3.3.2变桩距调平由于软土夹层可能存在,仅靠调整桩长调平,可能会使得短桩悬浮于软土层中,需要采取其他方案来处理,以下将分析变化桩间距对基础差异沉降和桩-土受力的影响。基础中部10～30 m范围内沉降均匀,两侧10～20 m内沉降渐变状态,越靠边缘沉降越小。故分析方案为中间密、两侧疏的变桩间距布置方式,选用一组4根6d、6根5d、6根4d对称布置来分析变桩距对基础沉降及桩-土受力的影响(荷载250 kPa、 基础尺寸48 m)。

图16为变桩距、变桩长及等间距情形下沉降比较结果。分析3种情形下基础沉降和桩顶轴力,可得出两点结论:① 变桩距时中部4d区域基础沉降和桩顶轴力与等间距4d时基本相同(变桩距时桩顶轴力显示在图14中), 边缘6d区域与等间距6d时基础沉降和桩顶轴力基本相同(图6); 3种等间距布置, 以4d的基础差异沉降最小, 而变间距方案下的基础差异沉降比等间距的还小30%; 两侧CFG桩顶轴力较中部桩顶轴力明显增大(图6)。 ② 变桩长和变桩距均能明显减小基础的差异沉降, 但变桩长对基础中部的差异沉降调整能力好于变桩距(图16)。变桩长使得基础两侧的CFG桩体承载较中部小,而变桩距导致两侧桩体承载较中部大。但采用变桩长调平时可能会导致桩端悬浮于软土层中,故软土层存在或者不确定其存在时,可考虑用变桩距方案来控制基础差异沉降。

图16　变桩距、变桩长及等间距的基础沉降Fig.16　Foundation settlement of variable pile spacing, variable length and fixed spacing condition

4结论与建议

本文开展了CFG桩复合地基在竖向荷载作用下的受力和特性的三维有限差分模拟，经过对数值模拟结果的系统分析，初步结论与建议如下：

(1)数值模拟结果揭示，只要CFG桩端进入持力层足够深度，桩身10 m以下深度内存在的软土夹层对复合地基承载特性的影响很小。

(2)一定深度内桩间土加固可明显控制基础沉降并能较好地改善CFG桩复合地基受力特性，但加固存在一个临界深度，超过此深度，加固效应影响基本可忽略，不同基础尺寸时的临界加固深度均在6 m左右。

(3)对于CFG复合地基， 基础两侧1/3直径范围内可采用变桩长或变桩距方法进行变刚度调平， 但两种方法各有优缺点， 需要结合实际地质情况和工程要求， 合理确定调平方案， 或者条件允许时， 可考虑使用两种方法相结合的综合调平方法。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0278-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.013

收稿日期：2014-11-23

基金项目：中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目(CPECC2011KJ22)

作者简介：丁礼建(1971—),男,硕士,高级工程师,主要从事铁路、公路、水利水电施工工作,421908865@qq.com。

中图分类号：TU473;TU433

文献标志码：A

3D finite difference simulation of CFG-pile composite foundation in large petrochemical project

DING Li-jian

(No.1 Engineering Co., Ltd., China Railway 19th Bureau Group, Liaoyang 111000,China)

Abstract:CFG piles are more and more widely used in foundation treatment engineering. Currently, soft-soil foundation treatment in large petrochemical project is very complex. In such condition, one 3D finite difference model was built. The stress and deformation behaviors of CFG composite foundation under different pile spacing condition were analyzed in detail. The effect of soft soil interlayer was also investigated. Based on the effect analysis of reinforcement depth, the critical reinforcement depth of different foundation size was obtained.Besides, variable rigidity leveling of composite foundation was carried out by variable pile length or spacing method. Some conclusions have been drawn. The relationship between foundation settlement or settlement difference and loading is linear type. CFG pile of the 1/3 diameter zone outside two sides can be optimized by variable pile length or spacing method. When soil among CFG piles is not reinforced, the pile spacing should not be larger than 6d. If the burial depth of soft soil interlayer is large than 10 m, the effect can be ignored. the critical reinforcement depth of different foundation size is about 6 m. The foundation settlement or settlement difference can be controlled by variable pile length or spacing method, and suitable method should be chosen for geotechnical and engineering condition.

Key words:petrochemical project; CFG pile; composite foundation; 3D; finite difference method

引文格式：丁礼建.大型石化CFG桩复合地基三维有限差分模拟[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):278-284.